Các Hệ thống Sinh sản và tính Không tương hợp ở Thực vật

86
Chương 5
Các Hệ thống Sinh sản và tính Không
tương hợp ở Thực vật

I. Mở đầu
Tính không tương hợp trong quá trình sinh sản là khái niệm chỉ
hiện tượng hạt phấn không có khả năng nảy mầm hoặc ống phấn không
thể xâm nhập vào vòi nhụy và thực hiện được quá trình thụ tinh.
Tính không tương hợp có thể xảy ra trong phạm vi giữa các cơ
quan sinh sản đực và cái của một cây, gọi là tính không tự hợp, vì vậy ở
cây này không thể xảy ra quá trình tự thụ phấn. Tính không tương hợp
cũng có thể xảy ra khi giao phấn giữa các nhóm cây có quan hệ họ hàng
nhất định với nhau, gọi là tính không tương hợp chéo, các cây giữa các
nhóm này không giao phối được với nhau.
Hệ thống tính không tương hợp có thể hoạt động ở trạng thái thể
bào tử (sporophytic incompatibility) hoặc ở trạng thái thể giao tử
(gametophytic incompatibility). Nó kiểm soát sự tương tác giữa vòi nhụy
và hạt phấn nhờ sự hoạt động của các allele thuộc locus S. Tuy nhiên ở
một số thực vật, tính không tương hợp ở thực vật không phải chỉ do một
mà là do hai hoặc nhiều locus can thiệp.

II. Các hệ thống sinh sản và ý nghĩa của chúng trong di truyền và
chọn giống thực vật
1. Sinh sản vô phối (Apomixis)
Sinh sản vô phối là hình thức sinh sản mà cơ thể mới được tạo
thành từ một bố mẹ riêng lẽ. Đây là hình thức sinh sản phổ biến ở thực vật
và ít xảy ra ở động vật.
Tất cả các cơ quan ở thực vật đều có thể được sử dụng cho sinh sản
vô phối, trong đó đoạn thân được sử dụng phổ biến hơn cả (Hình 5.1).

Ở một vài loài, đoạn thân tạo rễ ở một đầu tạo cây mới. Đoạn thân
trên mặt đất nằm ngang (thân bò) tạo các cây con giống nhau tại các mắt.
Các đoạn thân nằm dưới đất như rễ, củ, thân hành, thân củ có thể được sử
dụng cho sinh sản vô phối.
Quá trình nguyên phân ở mô phân sinh dọc theo mép lá cũng tạo ra
được các cây nhỏ (Hình 5.2). Ở một số loài, có thể sử dụng rễ cho sinh sản
vô phối như ở cây bồ công anh, cây dương lá rụng (Hình 5.3)

87

Hình 5.1
Sinh sản vô phối bằng đoạn thân bò.

Hình 5.2
Cây con tạo thành nhờ nguyên phân ở mô phân sinh mép lá.


Hình 5.3
Sinh sản vô phối từ rễ.
1.1. Nhân giống thực vật
Những thực vật có giá trị thương mại quan trọng thường được

88
nhân giống bằng phương thức vô tính nhằm duy trì các đặc điểm mong
muốn như màu hoa, hương thơm, tính kháng với bệnh …
- Ghép: được sử dụng rộng rãi để nhân các giống cây mong muốn.
Chẳng hạn, tất cả các giống táo đều được nhân giống theo cách này.
- Sinh sản vô phối: Các loài thực vật có hạt nhưng hạt của chúng
đượ tạo ra bằng phương thức sinh sản vô tính, được gọi là hiện tượng vô
phối hay sinh sản vô phối (Apomixis). Trong đó, trứng được tạo thành với

2n nhiễm săc thể và phát triển không qua thụ tinh. Ở một kiểu khác, các tế
bào của noãn (2n) phát triển thành phôi thay vì tạo trứng hữu thụ.
Con lai giữa các loài khác nhau thường bất thụ. Nhiều con lai như
thế sử dụng phương thức vô tính để nhân giống cho thế hệ sau.
Gần đây, sinh sản vô phối ở cây hạt trần đã được phát hiện (Theo
Pichot và cs, 2001). Ở cây bách, hạt phấn hoa là lưỡng bội, có thể phát
triển thành phôi khi ở trên đất.
- Nhân giống vô phối cây trồng: Nhiều cây nông nghiệp quan trọng
như cây ngô (bắp) không thể nhân giống bằng phương pháp vô tính như
giâm cành. Nhưng các nhà khoa học có thể chuyển những cây này sang
sinh sản vô phối bằng cách tạo các phôi là các dòng di truyền hơn là tạo ra
các sản phẩm của phương thức sinh sản hữu tính với các gen thường thấy.
Sau 30 năm nghiên cứu, người ta đã tạo ra được cây ngô sinh sản vô phối,
tuy nhiên người ta chưa tạo đủ lượng hạt để thương mại sản phẩm.
Trong tự nhiên sinh sản vô phối xảy ra khoảng 10% trong số 400
họ cây hoa, nhưng chỉ có 1% trong số 40.000 loài của họ này. Sinh sản vô
phối thường xảy ra ở họ Graminae, Compositae, Rosaceae và Asterceae.
Chỉ có một số cấy trồng có sinh sản vô phối như cam chanh, xoài, một số
cỏ nhiệt đới và một số cây khác.
Sinh sản vô phối có thể xảy ra theo 2 cách: hạt vô tính có thể được
tạo thành từ những tế bào sinh sản của cây nhưng bị trở ngại không thể trải
qua quá trình sinh sản hữu tính (giảm phân). Cách thứ hai là hạt có thể
được tạo thành từ tế bào sinh dưỡng. Đôi khi, cả hạt hữu tính và vô tính
đều phát triển từ cùng một hoa.
Lợi ích rõ nhất của sinh sản vô phối ở cây trồng là cho phép chọn
lọc một cây riêng lẽ và nhân lên như những dòng qua hạt của chúng.
Thuận lợi thứ hai là mở rộng dãy các cây hoang dại có quan hệ họ hàng có
thể đưa vào chương trình chọn giống.
Sinh sản vô phối có thể làm giảm chi phí sản xuất cây lai. Các chủ
trang trại không thể giữ hạt từ các cây lai vì thực tế chúng không thể sinh

sản. Các công ty duy trì các dòng cây giống bố mẹ để đem lai để cung cấp

89
cây lai hàng năm. Với sinh sản vô phối, hạt lai có thể được phát triển từ
hạt lai. Điều này dẫn đến tiết kiệm thời gian và chi phí.
2. Nhân giống từ bao phấn và sự phát sinh phôi soma
Tù lâu, các nhà di truyền và chọn giống cây trồng đã sử dụng trạng
thái đơn bội của cây trồng để tiến hành nghiên cứu và thông qua đa bội
hóa thể đơn bội đó để thu được các dạng đồng hợp tử. Tuy nhiên các
phương pháp kinh điển để thu nhận cây đơn bội cho hiệu quả rất thấp. Kỹ
thuật tạo cây đơn bội in vitro thông qua kích thích tiểu bào tử phát triển
thành cây trong nuôi cấy bao phấn và hạt phấn cho phép nhanh chóng tạo
ra hàng loạt cây đơn bội đã là một biện pháp hữu hiệu đối với lĩnh vực ứng
dụng đơn bội vào nghiên cứu di truyền và tạo giống cây trồng.
2.1. Các bước phát triển bình thường và phát triển phôi của hạt phấn
Bình thường sau khi được giải phóng, hạt phấn chứa một nhân.
Giai đoạn này gọi là giai đoạn hạt phấn đơn nhân. Sau đó nhân chia đôi
tạo thành 1 nhân dinh dưỡng và 1 nhân sinh sản. Nhân sinh sản lại chia đôi
tạo thành 2 tinh tử làm nhiệm vụ thụ tinh kép cho noãn và nội nhũ của túi
phôi.
Sunderland (1970) cho rằng trong nuôi cấy in vitro, bước phát triển
đầu tiên của hạt phấn vẫn xảy ra như bình thường cho đến giai đoạn 2
nhân. Quá trình tạo phôi thường bắt đầu từ nhân sinh sản, nhân dinh
dưỡng hay cả 2 nhân, song chủ yếu là nhân dinh dưỡng, trong khi nhân
sinh sản chỉ phân chia một vài lần rồi ngừng hẳn. Có trường hợp ngoại lệ,
cây đơn bội phát triển từ nhân sinh sản nhưng thường rất yếu. Cũng có ý
kiến ngược lại, chẳng hạn Raghavan (1977) cho rằng phần lớn phôi
Hyoscyanus niger mà ông thu được từ nuôi cấy bao phấn có nguồn gốc từ
nhân sinh sản.
Về nguyên tắc, kỹ thuật nuôi cấy in vitro cho phép tạo cây đơn bội

bằng nhiều phương thức khác nhau nhưng phương thức bắt đầu từ tiểu bào
tử vẫn là thuận lợi nhất.
2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến nuôi cấy bao phấn
2.2.1. Kiểu gene của cây cho bao phấn
Kiểu gene của cây mẹ có vai trò quan trọng trong việc xác định tần
số sản xuất cây hạt phấn. Ở lúa mì, tần số cảm ứng của callus hạt phấn và
sự tạo thành cây xanh tiếp sau đó được điều khiển bởi nhiều gene. Mỗi
kiểu gene khác nhau tương ứng với phản ứng sinh sản đơn tính khác nhau
trong nuôi cấy bao phấn
2.2.2. Nhân tố thành bao bao phấn (Anther wall factor)
Pelletier và Iiami (1972) đã chứng minh rằng hạt phấn của một

90
giống thuốc lá sẽ phát triển thành phôi ngay cả khi chuyển vào bao phấn
của một giống khác. Chính kết quả này đã dẫn đến khái niệm “thành bao
phấn” (wall factor), nó giúp cho nhiều nhà nghiên cứu sử dụng “ hiệu ứng
bảo mẫu” (nursing effect) của bao phấn hoàn chỉnh để phát triển sinh sản
đơn tính ở các hạt phấn phân lập cuả nhiều loài. Dịch chiết của bao phấn
cũng có tác dụng kích thích sản xuất phôi hạt phấn (Pollen embryo)
Các nghiên cứu về mô học đã xác định vai trò của nhân tố thành
bao phấn trong việc phát triển phôi hạt phấn. Một số kết quả nghiên cứu
cho thấy glutamine riêng rẽ hoặc phối hợp với serine và myo-inositol có
thể thay thế nhân tố thành bao phấn trong các thí nghiệm nuôi cấy hạt
phấn phân lập.
2.2.3. Môi trường nuôi cấy (culture medium)
Thành phần môi trường nuôi cấy thay đổi tùy thuộc vào kiểu gene và tuổi
của bao phấn cũng như các điều kiện mà ở đó cây cho bao phấn sinh
trưởng. Sinh sản đơn tính tiểu bào tử ở Nicotiana tabacum và Datura
innoxia có thể cảm ứng trên môi trường agar đơn giản chỉ chứa sucrose.
Hạt phấn tiếp tục phát triển trên môi trường như thế cho đến giai đoạn

hình cầu.. Quá trình sinh trưởng về sau của phôi hạt phấn đòi hỏi phải bổ
sung các muối khoáng vào môi trường.
Các loài không thuộc họ Solanacêa, thành phần môi trường bao
gồm các chất điều khiển sinh trưởng và các hỗn hợp dinh dưỡng phức tạp
như dịch chiết nấm men, dịch thủy phân casein, nước dừa. Môi trường của
một số tác giả Trung Quốc như Chu (N6) và Yu Pei dùng cho nuôi cấy
bao phấn ngô. Môi trường N6 cũng được sử dụng cho nuôi cấy bao phấn
các loại ngũ cốc khác như lúa, lúa mạch đen.
2.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng
Gây sốc nhiệt sẽ tăng tần số sinh sản đơn tính tiểu bào tử. Các nụ
được xử lý lạnh ở 3
o
C hoặc 5
o
C trong 72 giờ sẽ kích thích hạt phấn phát
triển thành phôi (xấp xỉ 58%( ở một số loài thuộc họ Solanaceae (Datura,
Nicotiana). Ngược lại bao phấn được duy trì ở 22
o
C trong cùng thời gian
chỉ cho khả năng phát triển phôi khoảng 21% (Nitsch 1974). Nói chung,
gây sốc nhiệt từ 2-5
o
c trong 72 giờ có tác dụng kích thích sự phát triển
không bình thường của giao tử đực và tích lũy hạt phấn đơn nhân.
Cụm hoa hình chùy (panicles) được tách rời của lúa khi xử lý ở
13
o
C trong 10-14 ngày cho tần số hạt phấn tạo mô sẹo (callus) cao nhất.
Cảm ứng sinh sản đơn tính sẽ có hiệu quả cao nếu bao phấn của các loại
ngũ cốc khác (lúa, ngô) được bảo quản ở nhiệt độ thấp trước khi nuôi cấy.

Tần số phát sinh cây đơn bội và sinh trưởng của cây nối chung sẽ

91
tốt hơn nếu chúng được nuôi trong điều kiện chiếu sáng. Hạt phấn phân
lập dường như mẫn cảm với ánh sáng hơn so với cả bao phấn. Ánh sáng
trắng cường độ thấp hoặc ánh sáng huỳnh quang đỏ kích thích phát triển
phôi nhanh hơn trong nuôi cấy thuốc lá phân lập so với ánh sáng trắng
cường độ cao.
2.2.5. Trạng thái sinh lý của cây cho
Bao phấn tách từ cây sinh trưởng trong điều kiện ngắn ngày (8
giờ/ngày) và ở vùng có cường độ ánh sáng cao cho phản ứng tương đối tốt
hơn so với cây dài ngày (16 giờ/ngày) có cùng cường độ chiếu sáng. Sự
phát sinh phôi hạt phấn có thể được cải thiện xa hơn nếu nhiệt độ dưới
điều kiện ngắn ngày duy trì ở 18
o
C. Sự thay đổi mùa vụ thích hợp và tuổi
cây cho bao phấn ảnh hưởng lớn đến phản ứng của các hạt phấn.
3. Sự sinh sản đơn tính đực (Adrogenesis)
Chúng ta đã biết, một vài loài tạo ra thế hệ sau chỉ mang nhiễm sắc
thể của cây mẹ nhờ các quá trình như sinh sản vô phối và sinh sản đơn
tính (được gọi là “gynogenesis”). Có nhiều trường hợp sinh sản tự nhiên
nhờ sinh sản vô tính trong đó con cháu lưỡng bội mang nhiễm sắc thể chỉ
từ cây bố.
Hiện tượng phát sinh cây đơn bội từ các tế bào giao tử đực của
thực vật được gọi là sinh sản đơn tính đực. Có 3 phương thức sinh sản đơn
tính đực:
3.1. Sinh sản đơn tính trực tiếp từ tiểu bào tử
Tiểu bào tử trong bao phấn hay phân lập → phôi → cây đơn bội
(Hình 5.4)
Cấu trúc dạng phôi (Embryoid) phát triển trực tiếp từ hạt phấn.

Quá trình này thường xảy ra trong bao phấn, điển hình là Datura,
Nicotiana, Atroppa.
3.2. Sinh sản vô tính qua mô sẹo
Tiểu bào tử trong bao phấn → mô sẹo → chồi → cây hoàn chỉnh
Cây hoàn chỉnh phát triển từ khối mô sẹo, khối mô này thường
phát triển ra ngoài bao phấn. Ví dụ: Oryza, Brassica, Lolium, Hordeum.
3.3. Sinh sản đơn tính hỗn hợp
Giai đoạn phát triển mô sẹo xảy ra rất ngắn và khó nhận biết. Ví
dụ: Datura.